Какое количество нейтронов содержится в атоме изотопа n

В таблице Менделеева атомный номер кальция равен 20, а атомная масса 40,08.

1. Атомный номер показывает число протонов в ядре атома.

Количество протонов: 20.

2. В нейтральном атоме количество протонов совпадает с количеством электронов.

Количество электронов: 20.

3. Абсолютная часть атомной массы приходится на протоны и нейтроны,

Количество нейтронов: 40-20=20.

Ответ:

Количество протонов: 20.

Количество электронов: 20.

Количество нейтронов: 20.

Конструкция в физике элементарных частиц, описывающая взаимодействие всех элементарных частиц (электромагнитное, слабое и сильное) называется стандартной моделью. Она включает в себя следующие основные ингредиенты:

• Набор фундаментальных «кирпичиков» материи — шесть сортов лептонов и шесть сортов кварков. Все эти частицы являются фермионами со спином 1/2 и очень естественным образом организуются в три поколения. Многочисленные адроны — составные частицы, участвующие в сильном взаимодействии, — составлены из кварков в разных комбинациях.

• Три типа сил, действующих между фундаментальными фермионами, — электромагнитные, слабые и сильные. Слабое и электромагнитное взаимодействия являются двумя сторонами единого электрослабого взаимодействия. Сильное взаимодействие стоит отдельно, и именно оно связывает кварки в адроны.

• Все эти силы описываются на основе калибровочного принципа — они не вводятся в теорию «насильно», а словно возникают сами собой в результате требования симметричности теории относительно определенных преобразований. Отдельные виды симметричности порождают сильное и электрослабое взаимодействия.

• Несмотря на то что в самой теории имеется электрослабая симметрия, в нашем мире она самопроизвольно нарушается. Спонтанное нарушение электрослабой симметрии — необходимый элемент теории, и в рамках Стандартной модели нарушение происходит за счет хиггсовского механизма.

• Численные значения для примерно двух десятков констант: это массы фундаментальных фермионов, численные значения констант связи взаимодействий, которые характеризуют их силу, и некоторые другие величины. Все они раз и навсегда извлекаются из сравнения с опытом и при дальнейших вычислениях уже не подгоняются.
  Для лучшего понимания советую ознакомиться с этой инфографикой. 

Те самые шесть сортов лептонов и шесть сортов кварков на одном изображении (да, кварки имеют во такие странные и одновременно милые названия):

Теперь посмотрим из чего состоит нейтрон (два нижних и один верхний кварк):

А вот и структура протона, который состоит из тех же кварков, что и нейтрон (круто, не правда ли?)

Теперь, чтобы не запутаться, смотрим на структуру элементарных частиц (на википедии схема кликабельна).

Выше было упомянуто об адронах – частицах, участвующие в сильном взаимодействии (как и во всех остальных). Это самый обширный класс частиц. Адронов несколько сотен!  Адроны, состоящие из трёх кварков (смотрим выше на структуру нейтрона и протона, и сразу понимаем кто есть кто), называются барионами, состоящие из кварка и антикварка – мезонами. 

Итак, вроде мы немного разобрались, получили общее представление о стандартной модели и теперь можем осилить статью обо всех сразу элементарных частицах. Честно говоря, если открывать все ссылки, то чтива хватит на месяц, а то и больше.

Если ты, мой дорогой друг, не прогуливал уроки физики в школе (или внимательно смотрел на изображение выше), то помнишь, что взаимодействий четыре, а мы говорили только о трёх. Это потому, что на данный момент ученые не могут (почему?) объеденить все известные фундаментальные взаимодействия в одну теорию (они ее называют теорией всего). В течение двадцатого века было предложено множество «теорий всего», но ни одна из них не смогла пройти экспериментальную проверку, или существуют значительные затруднения в организации экспериментальной проверки для некоторых из кандидатов. Основная проблема построения научной «теории всего» состоит в том, что квантовая механика и общая теория относительности (ОТО) имеют разные области применения.

На данный момент основными кандидатами  на роль теории всего являются теория струн и петлевая теория и теория Калуцы — Клейна. Если о теории струн слышали все, то вторая известна только особо интересующимся. Поэтому подробней. В начале двадцатого века появились предположения, что Вселенная имеет больше измерений, чем наблюдаемые три пространственных и одно временное. Толчком к этому и стала теория Калуцы — Клейна, которая позволяет увидеть, что введение в общую теорию относительности дополнительного измерения приводит к получению уравнений Максвелла. Благодаря идеям Калуцы и Клейна стало возможным создание теорий, оперирующих большими размерностями. Использование дополнительных измерений подсказало ответ на вопрос о том, почему действие гравитации проявляется значительно слабее, чем другие виды взаимодействий. Общепринятый ответ состоит в том, что гравитация существует в дополнительных измерениях, поэтому её влияние на наблюдаемые измерения ослабевает.

Есть полуэмпирическая формула Бете-Вайцзекера, которая выражает энергию связи ядра с атомной и зарядовой массами. Она полуэмпирическая в том смысле, что расчёты делаются с помощью поправок (кулоновских поправок, поправок на поверхностное натяжение, протон нейтронную асимметрию и т.д.) в рамках упрощённой капельной модели ядра. 

Естественно, что наиболее стабильными будут изотопы с максимальной энергией связи (при заданном зарядовом числе). При этом, отношение числа нейтроно N к числу протонов Z будет выражаться через атомную массу А как N / Z = 1 + κ A^(2/3). Т.е. это отношение отклоняется от 1 с ростом A степенным (примерно) законом 2/3. 

Вот, например, диаграмма этой энергии связи для ядер с различным числом протонов/нейтронов. Как видно, для больших A большие энергии связи уже соответствуют не равному числу протонов и нейтронов (отклонение от линии N = Z). Это, конечно, наивная простая модель (часто такие модели в науке называют toy model), но в целом с экспериментом вполне соотносится.